(57)【要約】【課題】発電単価を低減できる高速炉の炉心を提供する。【解決手段】高速炉の炉心１は、マイナーアクチニド燃料領域（ＭＡ燃料領域）２およびＭＡ燃料領域２の上方に配置された親物質領域３を有する。ＭＡ燃料領域２には、核分裂性のマイナーアクチニド（ＭＡ）が充填され、親物質領域３には、核燃料物質である親物質燃料の天然ウラン等が充填される。高速炉の運転初期では、ＭＡ燃料領域２内でＭＡによる核分裂連鎖反応が発生してＭＡ燃料領域２内で熱が発生し、発電が継続される。ＭＡ燃料領域２内の核分裂で生じた中性子の一部が、親物質領域３内に到達して親物質燃料に照射される。親物質領域３内で、中性子が照射された親物質燃料から新たな核分裂性物質が生成され、この核分裂性物質による核分裂の連鎖反応が生じ、この連鎖反応が生じる領域が親物質領域３の上端に向かって移動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質としてマイナーアクチニドのみを含む第１燃料領域と、前記第１領域に隣接して配置され、核燃料物質である親物質燃料を含む第２燃料領域とを有することを特徴とする高速炉の炉心。
【請求項２】
前記第２燃料領域が前記第１燃料領域の上方に配置されている請求項１に記載の高速炉の炉心。
【請求項３】
下部領域に前記マイナーアクチニドが充填され、前記下部領域の上方に配置されて前記下部領域に隣接している上部領域に前記親物質燃料を充填している複数の燃料棒を有する複数の燃料集合体を、前記第１燃料領域及び前記第２燃料領域に形成される炉心燃料領域に装荷し、前記第１燃料領域が前記下部領域で形成され、前記第２燃料領域が前記上部領域で形成される請求項２に記載の高速炉の炉心。
【請求項４】
前記第１燃料領域および前記第２燃料領域が水平方向に配置されている請求項１に記載の高速炉の炉心。
【請求項５】
内部に前記マイナーアクチニドが充填された複数の第１燃料棒を有する複数の第１燃料集合体が前記第１燃料領域に装荷され、内部に前記親物質燃料が充填された複数の第２燃料棒を有する複数の第２燃料集合体が前記第２燃料領域に装荷されている請求項４に記載の高速炉の炉心。
【請求項６】
前記第１燃料領域において前記第１燃料領域の体積に対する前記第１燃料領域内の前記核燃料物質の体積の割合が５０％以上であり、前記第２燃料領域において前記第２燃料領域の体積に対する前記第２燃料領域内の前記核燃料物質の体積の割合が５０％以上である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高速炉の炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速炉の炉心に係り、特に、使用済核燃料の再処理によって得られる長寿命のマイナーアクチニド（ＭＡ）を用いた高速炉の炉心に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速炉（ＦＲ）の燃料集合体および炉心が、平川直弘、岩崎智彦著、「原子炉物理入門」、東北大学出版会、２００３年１０月３０日、ｐ２７９〜２８６に記載されている。すなわち、一般的に、高速炉の炉心に装荷される燃料集合体は、プルトニウム（Ｐｕ）を富化した劣化ウラン（Ｕ−２３８）を被覆管内に封入して構成される複数の燃料棒を燃料スペーサにより束ねた燃料棒束、この燃料棒側束を取り囲むラッパ管、燃料棒束より上方に配置された冷却材流出部、および燃料棒束の下方に配置された中性子遮蔽体および冷却材流入部（エントランスノズル）を有する。高速炉の炉心には、上記した複数の燃料集合体が装荷される。高速炉における標準的な均質炉心は、内側炉心燃料領域および内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域を有する炉心燃料領域を形成しており、外側炉心燃料領域に装荷された燃料集合体におけるＰｕの平均富化度を内側炉心燃料領域に装荷された燃料集合体におけるＰｕの平均富化度よりも高くして、炉心燃料領域の半径方向の出力分布を平坦化している。
【０００３】
燃料集合体に装荷する核燃料物質の形態としては、これ迄、金属、窒化物、および酸化物等が検討されているが、酸化物燃料が最も実績が豊富である。特に、酸化物燃料として、Ｐｕの酸化物および劣化Ｕの酸化物を混合した混合酸化物（ＭＯＸ燃料）が用いられ、ＭＯＸ燃料で製造された複数の燃料ペレットが、内側炉心燃料領域および外側炉心燃料領域に装荷されるそれぞれの燃料集合体の各燃料棒内に充填される。これらの燃料棒内において、ＭＯＸ燃料で製造された複数の燃料ペレットが充填された燃料領域が中央部で８０〜１００ｃｍ程度の高さに形成され、この燃料領域の上方および下方に、劣化Ｕの酸化物であるＵＯ２燃料での複数の燃料ペレットを充填した軸方向ブランケット領域がそれぞれ形成される。炉心燃料領域に装荷される炉心燃料集合体は、燃料領域および燃料領域の上方および下方にそれぞれ形成された軸方向ブランケット領域を有する複数の燃料棒を、束ねて、横断面が正六角形をしている筒状のラッパ管内に収納している。
【０００４】
また、半径方向ブランケット領域が外側炉心燃料領域を取り囲んでいる。劣化ウランの酸化物であるＵＯ２燃料で製造された複数のＵＯ２燃料ペレットを充填した燃料棒を有する複数のブランケット燃料集合体が半径方向ブランケット領域に装荷される。ブランケット燃料集合体も、束ねられた複数の燃料棒を横断面が正六角形をしている筒状のラッパ管内に収納している。半径方向ブランケット領域および軸方向ブランケット領域では、炉心燃料領域において核分裂性物質（例えば、Ｐｕ−２３９）の核分裂反応で発生した中性子のうち、炉心燃料領域から漏れ出た中性子が、Ｕ−２３８に吸収されて核分裂性核種であるＰｕ−２３９が生成され、炉心全体のＰｕの増殖（増殖比＞１．０）に貢献する。
【０００５】
高速炉の起動および停止時、さらには高速炉の運転中において原子炉出力を調節する場合に、制御棒が用いられる。制御棒は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）で製造されたペレットをステンレス製の被覆管に封入して作られた複数の中性子吸収棒を、束ねて、炉心燃料集合体と同様に横断面が正六角形のラッパ管内に収納される。高速炉で用いられる制御棒は、主炉停止系制御棒と後備炉停止系制御棒の独立２系統の構成となっている。高速炉は、主炉停止系制御棒および後備炉停止系制御棒のいずれか一方により緊急停止が可能である。
【０００６】
通常、炉心燃料集合体と炉心最外周の放射線遮へい体との境界には、劣化ウラン（Ｕ）燃料を用いて構成した半径方向ブランケット燃料集合体が装荷される。この領域では、炉心燃料領域の核分裂によって発生した中性子の一部が漏れ出て、劣化Ｕの大半を占めるＵ−２３８が中性子を吸収する（ｎ、γ）反応によってＰｕが生成される。すなわち、ブランケット領域の主要な機能は燃料増殖である。
【０００７】
一方、初期に火種となるわずかの濃縮ウランのみで、劣化Ｕもしくは天然Ｕを核燃料として用いたＮａ冷却高速炉の核分裂連鎖反応を発生・継続し、炉心の寿命中に燃料交換せずに、発電を継続するＴＷＲ（Traveling Wave Reactor）のアイデアが、Kevan D. Weaver et. al., “A ONCE-THROUGH FUEL CYCLE FOR FAST REACTORS” Kevan D. Weaver et. al. Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16, 2009、論文番号75381に記載されている。この文献の図２に示されるようにＴＷＲの燃料棒および燃料集合体は、平川直弘、岩崎智彦著「原子炉物理入門」、東北大学出版会、ｐｐ．２７９―２８６、２００３年１０月３０日に記載された高速炉と同様に、燃料棒の直径８．８ｍｍに対する燃料棒の間隔が０．８ｍｍと小さく、冷却材に対する核燃料の体積割合が大きく、稠密格子を採用している点に特徴がある。ＴＷＲの炉心は、Kevan D. Weaver et. al., “A ONCE-THROUGH FUEL CYCLE FOR FAST REACTORS” Kevan D. Weaver et. al. Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16, 2009、論文番号75381の図３に示されるように、六角形状の燃料集合体が直方体形状に配置され、核分裂連鎖反応が生じる燃焼領域は、この文献の図１に示されるよるに、炉心の一端から他端に進行する。
【０００８】
反射体制御方式の高速炉が特開２００５−３３７８９８号公報に記載されている。この高速炉は、冷却材である液体金属が充填された原子炉容器内に炉心を配置し、炉心を取り囲んで中性子遮へい体を配置している。中性子遮へい体は原子炉容器内に設置される。駆動装置で上下動される中性子反射体が、炉心と中性子遮へい体の間を炉心の軸方向に移動する。中性子遮へい体の上部領域に冷却材よりも中性子反射能力が劣る中性子吸収体（または中性子透過物質）が配置される。軸方向で二領域に分割され、下部領域において燃料中のマイナーアクチニドであるＮｐ−２３８の割合を３．０重量％とし、上部領域においてその割合をゼロとした炉心が、特開２００５−３３７８９８号公報の図１２（第６実施例）に記載されている。さらに、特開２００５−３３７８９８号公報は、第６実施例に関し、第５実施例と同様な効果が得られ、これはマイナーアクチニドの中性子捕獲断面積が大きく、核分裂性物質の割合を低減したと同様な効果を有する、と記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３３７８９８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】平川直弘、岩崎智彦著「原子炉物理入門」、東北大学出版会、ｐｐ．２７９―２８６、２００３年１０月３０日
【非特許文献２】Kevan D. Weaver et. al., “A ONCE-THROUGH FUEL CYCLE FOR FAST REACTORS” Kevan D. Weaver et. al. Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16, 2009、論文番号75381
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
軽水炉は勿論、これ迄建設され、提案されている高速炉およびＴＷＲは、いずれも核分裂連鎖反応の維持、すなわち、発電の継続に、濃縮されたＵ−２３５またはＰｕ−２３９等の核分裂性物質が必要である。特開２００５−３３７８９８号公報の図１２（第６実施例）に記載された炉心は、において燃料中のマイナーアクチニドであるＮｐ−２３８の割合を３．０重量％とした下部領域、およびその割合をゼロとした上部領域を有している。この第６実施例では、下部領域の燃料がマイナーアクチニド以外に何を含んでいるか明確ではないが、特開２００５−３３７８９８号公報が、請求項９に「燃料中に含まれるマイナーアクチニドの混合割合」と記載しており、マイナーアクチニドの中性子捕獲断面積が大きく、核分裂性物質の割合を低減したと同様な効果を有するとの記載に基づけば、Ｎｐ−２３８の割合を３．０重量％とした下部領域、及びその割合をゼロとした上部領域には、核分裂性物質（Ｕ−２３５、Ｐｕ−２３９等）が含まれていることは明らかである。
【００１２】
このような核分裂性物質が不要で、劣化Ｕを核燃料として、原子炉の寿命中に核分裂連鎖反応の維持すなわち発電を継続できる原子炉ができれば、ウラン濃縮施設およびウラン採鉱が不要となり、また兵器としても使用可能なＰｕの継続的な供給が不要となる。
【００１３】
本発明の目的は、発電単価を低減できる高速炉の炉心を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、核燃料物質としてマイナーアクチニドのみを含む第１燃料領域と、この第１領域に隣接して配置され、核燃料物質である親物質燃料を含む第２燃料領域とを有することにある。
【００１５】
核燃料物質としてマイナーアクチニドのみを含む第１燃料領域に、核燃料物質である親物質燃料を含む第２燃料領域を隣接して配置しているので、第１燃料領域内でマイナーアクチニドの核分裂で発生した中性子の一部が第２燃料領域内の親物質燃料に照射されて、この親物質燃料から新たな核分裂性物質が生成される。第２燃料領域内でこの核分裂性物質による核分裂が生じ、第１燃料領域内のマイナーアクチニドが消滅しても、第２燃料領域内での核分裂が継続して行われ、この核分裂の生じる領域が、第２燃料領域の、第１燃料領域側の端部とは反対側の端部に向かって移動する。第１燃料領域内にマイナーアクチニド以外の核分裂性物質を充填せずに、第２燃料領域内の親物質燃料から生成された核分裂性物質による核分裂を継続するので、燃料交換による炉心内への新たな核燃料物質の供給を長期間にわたって行わずに発電を継続することができる。このため、高速炉における発電単価を低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、核分裂性核種（Ｕ−２３５やＰｕ−２３９など）が不要で長期に渡り電力を供給できる原子炉が実現できるので、再処理によるＰｕの抽出やウラン濃縮施設、ウラン採鉱が不要となり、燃料サイクル全体を大幅に簡素化できるので、原子力発電の発電単価を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の高速炉の炉心の縦断面図である。
【図２】図１に示す高速炉の炉心の横断面図である。
【図３】図２に示す炉心燃料領域に装荷された燃料集合体の横断面図である。
【図４】アメリシウム２４１（Ａｍ−２４１）の中性子エネルギーと中性子断面積の関係を示す特性図である。
【図５】図１に示す高速炉の炉心において、親物質燃料領域の中性子無限増倍率の燃焼変化を示す特性図である。
【図６】本発明の他の実施例である実施例２の高速炉の炉心の縦断面図である。
【図７】図６に示す高速炉の炉心の横断面図である。
【図８】図７に示すＭＡ燃料領域に装荷されたＭＡ燃料集合体の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１８】
本発明の好適な一実施例である実施例１の高速炉の炉心を、図１、図２及び図３を用いて以下に説明する。
【００１９】
本実施例の高速炉の炉心１は、マイナーアクチニド領域（以下、ＭＡ燃料領域という）２および親物質領域３を有する。親物質領域３はＭＡ燃料領域２の上方に配置され、ＭＡ燃料領域２に隣接している。ＭＡ燃料領域２の横断面（図１のＡ−Ａ断面）および親物質領域３の横断面（図１のＢ−Ｂ断面）は、ハード構成として図２に示す同じ構成を有している。
【００２０】
炉心１のＭＡ燃料領域２および親物質領域３では、中性子反射体領域５が炉心燃料領域４の周囲を取り囲んでおり、中性子遮へい体領域６が中性子反射体領域５を取り囲んでいる。複数の燃料集合体７が炉心燃料領域４に装荷されており、複数の中性子反射体集合体１０が中性子反射体領域５に装荷され、複数の中性子遮へい体集合体１１が中性子遮へい体領域６に装荷されている。燃料集合体７、中性子反射体集合体１０および中性子遮へい体集合体１１は、それぞれ、横断面が正六角形をしている。
【００２１】
燃料集合体７は、図３に示すように、複数の燃料棒８及びラッパ管９を有する。複数の燃料棒８は、燃料集合体７の軸方向に配置された複数の燃料スペーサ（図示せず）で束ねられてラッパ管９内に配置される。燃料集合体７は、図示されていないが、燃料スペーサで束ねられた燃料棒束より上方に位置している冷却材流出部、およびその燃料棒束の下方に位置する中性子遮蔽体および冷却材流入部（エントランスノズル）を有する。燃料集合体７の各燃料棒８は、使用済核燃料の再処理によって得られる長寿命の核燃料物質であるマイナーアクチニド（以下、ＭＡという）の金属をＭＡ燃料領域２に相当する下部領域に充填し、核燃料物質として親物質である天然ウラン、劣化ウランもしくは回収ウランの金属を親物質領域３に相当する上部領域に充填している。燃料棒８内に充填されるＭＡの金属は、核分裂性のＭＡを含んでいる。燃料棒８内に充填されるマイナーアクチニドとして、Ｎｐ−２３７，Ａｍ−２４１，Ａｍ−２４３およびＣｍ−１３７がある。ＭＡとしては、Ｎｐ−２３７，Ａｍ−２４１，Ａｍ−２４３およびＣｍ−１３７などを単体で用いても良いし、これらのＭＡの少なくとも２種を混合して用いても良い。本実施例では、ＭＡとしてＭＡ-１０％ＺｒがＭＡ燃料領域２に充填される。ＭＡ燃料領域２に充填されるＭＡは、核分裂性のＰｕを含んでいない。複数の燃料集合体７を炉心燃料領域４に装荷することにより、炉心燃料領域４において、下部にＭＡを含むＭＡ燃料領域２が形成され、上部に親燃料物質を含む親物質領域３が形成される。
【００２２】
中性子反射体集合体１０は、ステンレス鋼で作られ、前述したように、横断面が正六角形をしている。中性子遮へい体集合体１１は、ステンレス鋼および炭化ほう素を用いて構成した横断面が正六角形状の炭化ほう素遮へい体集合体である。中性子反射体集合体１０および中性子遮へい体集合体１１は、それぞれ、ＭＡ燃料領域２および親物質領域３内に配置され、ＭＡ燃料領域２の下端から親物質領域３の上端までの長さを有する。
【００２３】
ＭＡ燃料領域２および親物質領域３のそれぞれの領域における燃料体積割合は５０％である。ＭＡ燃料領域２において、ＭＡ燃料領域２の体積に対するＭＡ燃料領域２内に存在する核燃料物質の体積の割合（燃料体積割合）を５０％以上にすることによって、後述するように、ＭＡ燃料領域２が臨界となる。親物質領域３においても、親物質領域３の体積に対する親物質領域３内に存在する親燃料物質の体積の割合（燃料体積割合）を５０％以上にすることによって、親物質領域３内の親燃料物質が、ＭＡ燃料領域２内の核燃料物質の核分裂によって生じる中性子の照射を受けて新たに核分裂性物質を生成するので、親物質領域３における、新たな核燃料物質を生成した領域で臨界を維持することができる。
図示されていないが、高速炉の運転中において炉心燃料領域４に原子炉出力調整用の制御棒が挿入されている。
【００２４】
核分裂反応のミクロ断面積σｆおよび中性子捕獲反応のミクロ断面積σｃの中性子エネルギー（ｅＶ）依存性を、図４に示す。図４において、実線が核分裂反応のミクロ断面積σｆを示しており、一点鎖線が中性子捕獲反応のミクロ断面積σｃを示している。さらに、図４において、破線は弾性散乱断面積であり、点線は非弾性散乱断面積である。
【００２５】
図４に示されるように、Ａｍ−２４１の核分裂反応は、中性子エネルギーが高くなると大きくなる閾値反応である。一方、Ａｍ−２４１の中性子捕獲反応はエネルギーの増加と共に小さくなる。エネルギーが凡そ７００ｋｅＶ以上になると、σｆ／σｃ＞１となり、Ａｍ−２４１は臨界可能となる。Ｎｐ−２３７、Ａｍ−２４３等の主要なＭＡはいずれもほぼ同じ中性子エネルギーで臨界可能となる。
【００２６】
標準的なナトリウム冷却高速炉では、中性子の平均エネルギーは数百ｋｅＶである。この平均エネルギーは上述の７００ｋｅＶよりも低いので、ここでは、中性子の弾性散乱によるエネルギー低下の要因となる冷却材のＮａおよび高速炉の構造部材の主要元素であるＦｅを出来る限り減らす必要がある。標準的な高速炉の炉心における平均の燃料体積割合Ｖｆは３０％〜４０％程度である。平均の燃料体積割合Ｖｆを５０％以上とすると、冷却材および構造部材の体積割合が減少するので、上述の弾性散乱による中性子の減速能が低下するため、平均エネルギーが７００ｋｅＶ以上となり、ＭＡ燃料領域２の炉心燃料領域４に核燃料物質としてＭＡのみを装荷しても、高速炉が臨界となる。
【００２７】
高速炉の運転中、ポンプ（図示せず）により昇圧された冷却材である液体金属（例えば、液体ナトリウム）が、下方より、炉心１内に供給される。この液体金属は、ＭＡ燃料領域２の下端よりＭＡ燃料領域２内に流入してＭＡ燃料領域２内を上昇し、親物質領域３に流入する。親物質領域３内を上昇する液体金属は、親物質領域３、すなわち、炉心１の上端から排出される。ＭＡ燃料領域２および親物質領域３内では、液体金属は各燃料集合体７内を流れる。エントランスノズルから燃料集合体７内に流入した液体金属は、燃料集合体７に設けられた中性子遮へい体内に形成された通路内を上昇し、さらに、燃料棒８の相互間に形成される冷却材通路を上昇し、冷却材流出部から燃料集合体７外、すなわち、炉心１外に排出される。年慮棒８の相互間を上昇する液体金属は、燃料棒８内のＭＡの核分裂で発生する熱（高速炉の停止中に燃料棒７内で発生する崩壊熱）を除去する。すなわち、液体金属は、燃料棒８を冷却する。燃料集合体７内で加熱された液体金属が、燃料集合体７から排出される。
【００２８】
炉心１を有する高速炉の運転初期においては、ＭＡ燃料領域２内のみでＭＡによる核分裂の連鎖反応が発生し、この核分裂の連鎖反応が継続して生じる。このため、その高速炉の運転初期においては、ＭＡ燃料領域２内のみで核分裂による熱が発生する。ＭＡ燃料領域２内のＭＡの核分裂で発生した中性子の一部が、ＭＡ燃料領域２から上方において隣接する親物質領域３に漏洩する。親物質領域３に到達した中性子が、親物質領域３内の親物質燃料（例えば、Ｕ−２３８）に照射され、親物質燃料である、例えば、Ｕ−２３８から新たな核分裂性物質であるＰｕ−２３９が生成される。この結果、時間の経過と伴に親物質領域３の燃焼度が向上する。
【００２９】
親物質領域３における中性子無限増倍率ｋ∞の燃焼度依存性を、図５に示す。中性子無限増倍率ｋ∞は、燃焼度の増大に伴って大きくなり、ある一定の燃焼度ｂ１になると１．０を超える。親物質領域３の中性子無限増倍率ｋ∞が１．０を超えたとき、ＭＡ燃料領域２から親物質領域３への中性子の入射がなくても、親物質領域３では、親物質領域３内で新たに生成された核分裂性物質による核分裂連鎖反応が維持され、発電に必要な熱エネルギーが発生する。
【００３０】
親物質領域３内の、ＭＡ燃料領域２に近い位置で、親物質領域３内の親物質燃料に、ＭＡ燃料領域２からの中性子が照射されると、その位置での中性子無限増倍率ｋ∞が、前述したように、時間の経過と伴に増加する。親物質領域３内のその位置での燃焼度が３００ＧＷｄ／ｔ程度まで増大すると、中性子無限増倍率ｋ∞が１．０を超え、核分裂連鎖反応が維持できるようになる。この時点では、ＭＡ燃料領域２においてＭＡの核分裂が終了しても、電気出力１０００ＭＷｅで高速炉の定格運転を継続することができる。
【００３１】
親物質領域３における核分裂連鎖反応は、ＭＡ燃料領域２から中性子を入射しやすい、親燃料物質領域３のＭＡ燃料領域２に近い部分で発生し、親物質領域３のＭＡ燃料領域２側の端部から、この端部の反対側に位置する、親物質領域３の他の端部に向かって徐々に進行する。このような親物質領域３内での核分裂連鎖反応の進行は、ＭＡ燃料領域２からの中性子の入射によって親物質領域３内で新たに生成された中性子が、親物質領域３内の、ＭＡ燃料領域２側の端部とは反対側に存在する親物質燃料に吸収されて新たな核分裂性物質が生成される。このように、親物質領域３内では、ＭＡ燃料領域２側の、親物質領域３の端部から、ＭＡ燃料領域２側の端部とは反対側に位置する、親物質領域３の他の端部に向かって、新たな核分裂性物質が生成され、核分裂連鎖反応が生じる領域も、親物質領域３の他の端部に向かって自動的に移動する。この結果、炉心１が寿命になるまでの約６０年の間、燃料交換によって、新たな核分裂性物質、例えば濃縮ウランおよび核分裂性Ｐｕを炉心１に供給せずに、炉心１を有する高速炉の定格出力運転を継続することができる。
【００３２】
本実施例によれば、長期間にわたって、燃料交換により炉心１内に新たな核燃料物質を供給しないで、高速炉の定格出力運転を継続することができるため、炉心１を有する高速炉の発電単価を低減することができる。
【実施例２】
【００３３】
本発明の他の実施例である実施例２の高速炉の炉心を、図６、図７及び図８を用いて以下に説明する。
【００３４】
本実施例の高速炉の炉心１Ａは、実施例１の炉心１において軸方向に配置しているＭＡ燃料領域２および親物質領域３を、水平方向に配置したＭＡ燃料領域２Ａおよび親物質領域３Ａに替えた構成を有する。複数のＭＡ燃料集合体１５がＭＡ燃料領域２Ａに装荷され、複数の親物質燃料集合体１７が親物質領域３Ａに装荷される（図７参照）。
【００３５】
ＭＡ燃料集合体１５は、図８に示すように、複数の燃料棒１６及びラッパ管９を有する。複数の燃料棒１６は、ＭＡ燃料集合体１５の軸方向に配置された複数の燃料スペーサ（図示せず）で束ねられてラッパ管９内に配置される。ＭＡ燃料集合体１５は、図示されていないが、燃料集合体７と同様に、燃料スペーサで束ねられた燃料棒束より上方に位置している冷却材流出部、およびその燃料棒束の下方に位置する中性子遮蔽体および冷却材流入部（エントランスノズル）を有する。ＭＡ燃料集合体１５の各燃料棒１６は、使用済核燃料の再処理によって得られるＭＡの金属を、各燃料棒１６の燃料有効長の全長に亘って充填している。
【００３６】
親物質燃料集合体１７は、ＭＡ燃料集合体１５と同じハード構成を有し、ラッパ管内に設置される各燃料棒内に、核燃料物質として親物質である天然ウラン、劣化ウランもしくは回収ウランの金属を充填している。図７に記載されていないが、複数の中性子反射体集合体１０が装荷された中性子反射体領域５が、ＭＡ領域２Ａと親物質領域３Ａの接触部を除いて、ＭＡ領域２Ａおよび親物質領域３Ａを取り囲んで配置され、複数の中性子遮へい体集合体１１が装荷された中性子遮へい体流域６が中性子反射体領域５を取り囲んでいる。
【００３７】
本実施例では、ＭＡ燃料領域２Ａおよび親物質領域３Ａ内にそれぞれ制御棒が挿入されている。これらの制御棒が操作されて、炉心１Ａを有する高速炉の原子炉出力が制御される。
【００３８】
高速炉の運転中、ポンプ（図示せず）により昇圧された冷却材である液体金属が、ＭＡ燃料集合体１５および親物質燃料集合体１７にそれぞれ供給される。
【００３９】
炉心１Ａを有する高速炉の運転初期においては、ＭＡ燃料領域２Ａ内のＭＡ燃料集合体１５でのみでＭＡによる核分裂の連鎖反応が発生し、この核分裂の連鎖反応が継続して生じる。このため、その高速炉の運転初期においては、ＭＡ燃料領域２Ａ内のみで核分裂による熱が発生する。ＭＡ燃料領域２Ａ内のＭＡの核分裂で発生した中性子の一部が、ＭＡ燃料領域２Ａから、水平方向においてＭＡ燃料領域２Ａに隣接する親物質領域３Ａに漏洩する。親物質領域３Ａに存在する親物質燃料集合体１７内の親物質燃料（例えば、Ｕ−２３８）が中性子の照射を受けて新たな核分裂性物質（Ｐｕ−２３９）が生成される。このため、ＭＡ燃料領域２Ａ内の核分裂性ＭＡが消滅しても、親物質領域３Ａ内において、新たに生成された核分裂性物質により発生する核分裂の連鎖反応が生じる領域が、白抜きの矢印の方向に移動し、発電が継続される。
【００４０】
親物質領域３Ａ内で新たに生成された核分裂性物質の核分裂の連鎖反応が、親物質領域３ＡにおけるＭＡ燃料領域２Ａ側の端部とは逆の位置にある、親物質領域３Ａの他の端部（図７において右側の端部）に向かって進み、親物質領域３Ａの他の端部においてＵ−２３８の中性子捕獲で生成されるＰｕが蓄積された時点で、高速炉の運転を停止し、核分裂物質の燃焼が終了したＭＡ燃料領域２Ａ内のＭＡ燃料集合体１５および親物質領域３Ａ内の親物質燃料集合体１７のそれぞれを、燃焼度が０ＧＷｄ／ｔの新しいＭＡ燃料集合体１５および親物質燃料集合体１７と交換する。その後、高速炉の運転を再開すれば、親物質領域３Ａの右側の端部に蓄積された核分裂性Ｐｕによる核分裂の連鎖反応が始まり、今度は、白抜きの矢印とは逆の方向に、すなわち、左側に向かって、核分裂の連鎖反応が生じる域が移動する。
【００４１】
本実施例は、実施例１で生じる効果を得ることができる。さらに、本実施例は、ＭＡ燃料領域２Ａおよび親物質領域３Ａ内の燃料集合体を交換することによって、燃焼領域の伝播および発電の継続を制御できる利点を有する。
【００４２】
以上に述べた各実施例では、高速炉の炉心に装荷する核燃料を金属としていたが、窒化物としても同様の効果が得られる。さらに、高速炉の冷却材として、液体Ｎａを用いていたが、液体の鉛、もしくは鉛−ビスマスとしても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４３】
１，１Ａ…炉心、２，２Ａ…マイナーアクチニド燃料領域、３，３Ａ…親物質領域、４炉心燃料領域、５…中性子反射体領域、６…中性子遮へい体領域、７…燃料集合体、８，１６…燃料棒、１０…中性子反射体集合体、１１…中性子遮へい体集合体、１５…ＭＡ燃料集合体、１６…親物質燃料集合体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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